電流控制型開關(guān)電源的研究

電流控制型開關(guān)電源的研究

信息產(chǎn)業(yè)部電子第14研究所鞠文耀（南京210013）

摘要：介紹電流控制型開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理，并將其與電壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行分析和比較，指出電流型控制的優(yōu)點(diǎn)，最后介紹較為常用的一種電流型控制芯片和典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：電流型電壓型開關(guān)電源

Research on the Current Mode Switching Power Supply

Abstract： The paper introduces the basic principle of the current control mode switching power supply, compares it with the voltage control mode switching power supply, and points out its advantages. Finally a current control mode chip and a typical applied circuit. Keywords:Current mode Votage mode SMPS

1引言

　　脈寬調(diào)制（PWM）型開關(guān)穩(wěn)壓電源只對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，實(shí)行閉環(huán)控制，這種控制方式屬電壓控制型，是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。而電流控制型DC/DC開關(guān)變換器是在電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加了電流反饋環(huán)，形成雙環(huán)控制系統(tǒng)，使得開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有所提高，是目前較為理想的工作方式。

圖1電壓控制型原理

2工作原理

2.1電壓控制型的基本原理

　　電壓控制型原理如圖1所示。電源輸出電壓UO與參考電壓Uref比較放大，得到誤差信號(hào)Ue，再與斜波信號(hào)比較后，PWM比較器輸出一定占空比的系列脈沖，這就是電壓控制型的原理。其最大缺點(diǎn)是：控制過程中電源電路內(nèi)的電流值沒有參與進(jìn)去。眾所周知，開關(guān)電源的輸出電流是要流經(jīng)電感的，故對(duì)于電壓信號(hào)有90度的相位延遲，然而對(duì)于穩(wěn)壓電源來說，應(yīng)當(dāng)考慮電流的大小，以適應(yīng)輸出電壓的變化和負(fù)載的需求，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，因此僅采用輸出電壓采樣的方法，其響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振蕩，造成功率管損壞等故障。

2．2電流控制型的基本原理

　　電流控制型正是針對(duì)電壓控制型的缺點(diǎn)而發(fā)展起來的，從圖2可以看到，它除保留了電壓控制型的輸出電壓反饋外，又增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)。所謂電流控制型，就是在脈寬比較器的輸入端將電流采樣信號(hào)與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，以此來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。

　　電流控制型的工作原理是采用恒頻時(shí)鐘脈沖置位鎖存器，輸出脈沖驅(qū)動(dòng)功率管導(dǎo)通，電源回路中的電流脈沖逐漸增大，當(dāng)電流在采樣電阻RS上的幅度達(dá)到Ue時(shí)，脈寬比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)撤除，功率管截止，這樣逐個(gè)檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，就可達(dá)到控制電源輸出的目的。

圖2電流型控制原理

如下：當(dāng)接通電源后，Ui經(jīng)R1加至7腳，當(dāng)7腳電壓上升至17V時(shí)，UC3842起振，V4導(dǎo)通，電流通過變壓器T1的1、2端，并經(jīng)V4，R7到地，此時(shí)T1的4、5端感應(yīng)出負(fù)電壓，V5、V3反偏，兩繞組均不耗能，變壓器T1儲(chǔ)能。其振蕩頻率及導(dǎo)通時(shí)間由UC3842來控制。當(dāng)V4由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止后，二極管V5、V3正向?qū)ǎ瑑衫@組均開始耗能，一組為芯片供電，另一組為負(fù)載供電。其穩(wěn)壓原理如下：若輸出電壓因負(fù)載變輕而抬高，此時(shí)流過光耦N2的發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度增加，三極管內(nèi)阻變小，從而使加至2腳的電壓變高，通過與內(nèi)部誤差放大器比較，使6腳輸出導(dǎo)通

2．3電流控制型的主要優(yōu)點(diǎn)

　?。?）線性調(diào)整率（電壓調(diào)整率）非常好，可達(dá)0.01％/V，可與優(yōu)良的線性穩(wěn)壓器媲美，這是因?yàn)閁CC的變化立即反映為電感電流的變化，它不經(jīng)過誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖寬度，再加一級(jí)輸出電壓U0至誤差放大器的控制，能使線性調(diào)整率更好。

　?。?）明顯地改善了負(fù)載調(diào)整率，因?yàn)檎`差放大器專門用于控制由于負(fù)載變化而造成的輸出電壓的變化。特別是使輕載時(shí)電壓升高的幅度大大減少。從1/3負(fù)載至滿載，負(fù)載調(diào)整率降至8％，2/3負(fù)載至滿載，負(fù)載調(diào)整率降至3％以下。

　?。?）簡化了過流保護(hù)電路（電流限制電路）。由于RS上感應(yīng)出峰值電感電流，所以自然形成脈沖限流電路。這種峰值電感電流感應(yīng)檢測技術(shù)可以靈敏地、精確地限制最大輸出電流，所以整個(gè)開關(guān)電源中的磁性元件（高頻變壓器）和功率元件（高壓開關(guān)管）不必設(shè)計(jì)較大的余量，就能保證穩(wěn)壓電源工作可靠，成本降低。

　?。?）誤差放大器的外補(bǔ)償電路簡化，改善了頻響，具有更大的增益－帶寬乘積。由于電感電流是連續(xù)的，所以RS上檢測出的峰值電流能代表平均電流。整個(gè)電路可看作是一個(gè)誤差電壓控制電流源。變換器（誤差放大器）的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因而可以改善整個(gè)穩(wěn)壓器的特性。

3電流控制芯片及其應(yīng)用

3.1電流控制芯片的結(jié)構(gòu)

圖3UC3842內(nèi)部電路圖及引腳圖

　　由于電流控制型較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)越性，所以近年來發(fā)達(dá)國家競相開發(fā)電流控制型芯片，以促使這一技術(shù)走向?qū)嵱没?，其中常用的UC3842的外電路接線簡單，所用元件少，并且性能優(yōu)越，成本低廉，驅(qū)動(dòng)電平非常適合驅(qū)動(dòng)MOS場效應(yīng)管。圖3示出了UC3842的內(nèi)部電路框圖和引腳圖。UC3842為固定工作頻率脈寬調(diào)制方式，輸出電壓或負(fù)載變化時(shí)僅調(diào)整導(dǎo)通寬度，它共8個(gè)腳，各腳功能如下：1腳，內(nèi)部誤差放大器；2腳，反饋電壓輸入腳，此腳電壓與內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，從而控制脈沖寬度；3腳，電感電流傳感器，當(dāng)取樣超過1V時(shí)，縮小導(dǎo)通脈寬，使電源處于間隙工作狀態(tài)；4腳，定時(shí)端，外接定時(shí)電阻Rt及定時(shí)電容Ct，f=1.8/（Rt×Ct）；5腳，地；6腳，輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式,上升、下降時(shí)間僅50ns，驅(qū)動(dòng)能力為±1A；7腳，供電輸入，起振后工作電壓為10～13V，低于10V停止工作，功耗為15mW；8腳，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，電壓5V，電流50mA。

3．2UC3842組成的實(shí)用電路工作原理

　　由UC3842組成的實(shí)用電路見圖4，其工作原理

圖4UC3842組成的實(shí)用電路圖

寬度變窄，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

　　過流保護(hù)原理：當(dāng)負(fù)載電流超過額定值或輸出短路，引起開關(guān)管V4電流增加，R7上的電壓反饋至3腳，當(dāng)R7上的電壓大于1V時(shí)，通過內(nèi)部電流放大器使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，同時(shí)也使UC3842工作電壓下降。當(dāng)下降至整定電壓以下時(shí)，過流保護(hù)電路工作，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

　　過壓保護(hù)：當(dāng)因某種原因使輸出電壓過高時(shí)，穩(wěn)壓管V6導(dǎo)通，從而觸發(fā)晶閘管V7導(dǎo)通，使輸出端短路，可見過壓保護(hù)是以過流保護(hù)的形式出現(xiàn)的。

3．3實(shí)例

　　現(xiàn)舉例做一臺(tái)輸入為DC28V，輸出為5V/5A的電源來說明由UC3842為控制芯片的電流控制型開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法和主要元器件的選擇依據(jù)。

　　設(shè)定輸入電壓U1變化范圍為18V～30V，輸出為5V/5A，占空比δ=0.4,振蕩頻率為f=70kHz,周期T=1/f=14.29μs，導(dǎo)通時(shí)間Ton=δ×T=5.71μs,變壓器效率η=95％，則變壓器一次峰值電流　式中K為一次電流的峰值與最小值的比，K值增大，表示電流的峰值增大，從而增加開關(guān)元件的損耗；相反，如果K值小，雖然會(huì)減小元件上的功耗，但變壓器會(huì)增大。所以輸入電壓最低、輸出功率最大時(shí)K的最佳值為0.5～0.6。這里取K=0.6。

　　設(shè)5V輸出電流IO的過流設(shè)定點(diǎn)為IOmax的120％，Uf=0.5V為輸出二極管的正向壓降，Ul=0.3V為包含輸出扼流圈在內(nèi)的二次線圈的壓降。

　　變壓器一次電流峰值為　二次線圈對(duì)一次線圈的匝比n21為　一次線圈初級(jí)電感為　　變壓器選用EI28磁心，有效截面積SC=85mm2最大磁通密度Bm=0.2T

　　一次線圈的匝數(shù)為N1=N2/n21=14匝

　　UC3842的工作電壓取12V，N3=(12/5.8)×7=14匝

　　開關(guān)管V4的漏源間的電壓最高值UDS=（U2/n21）＋U1max=(5.8/0.484)＋30=42V

　　考慮一些尖峰電壓的影響，開關(guān)管選擇耐壓為200V、最大導(dǎo)通電流為10A的場效應(yīng)管，如IRF250。

　　輸出整流二極管的反向電壓Udr=Uo＋U1max×n21=5＋30×0.484=19.52V

　　考慮一些尖峰電壓的影響，二極管選擇耐壓為45V、最大導(dǎo)通電流為10A的肖特基二極管，如SD51。

4結(jié)束語

　　由UC3842組成的電源，最大的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單，外圍元件少，不需外加輔助電源，過流保護(hù)功能強(qiáng)，在整個(gè)調(diào)試過程中，從未發(fā)生過功率管損壞的情況。而且電源功率電路的設(shè)計(jì)和以往電壓控制型完全相同，因此，對(duì)于熟悉開關(guān)電源技術(shù)的人來說，從電壓控制型轉(zhuǎn)為電流控制型并非難事，而這樣做之后，電源的性能可以上一個(gè)臺(tái)階。